總述 　　金屬氧化物避雷器，而不是碳化硅避雷器，在中壓電網中應用日益廣泛。本文將描述這種技術快速發展的原因，以及金屬氧化物避雷器的重要特征。金屬氧化物避雷器的殘壓低，能夠滿足中壓電網絕緣的要求，還可保護電纜網絡，改善其運行特性，延長電纜及電氣設備的壽命。 1． 避雷器的發展概述 最近二十年，避雷器技術有兩種基本的變化。首先，是一種以碳化硅為基本元件的簡單的火花間隙避雷器，隨后又發展為磁吹閥式避雷器。但是，它們都是以碳化硅電阻為基礎的避雷器，稱為碳化硅避雷器。第三代避雷器是所謂的無間隙避雷器，它是以更強的非線性金屬氧化物作為基本元件的，這即眾所周知的氧化鋅避雷器。由于其優良的特性，已被迅速引進到各電壓等級。在50kV以上的新建工程中，氧化鋅避雷器正在成為專用避雷器。金屬氧化物避雷器的高能量吸收力，保護性能穩定，而且殘壓低，不但在理論上如此，在全世界十年以上的實踐經驗也表明如此。 碳化硅避雷器仍在36kV以下的配電中使用，也許還將會使用更長一些時間，這有以下三方面原因。 第一，不存在要立即降低該避雷器殘壓的技術要求，所以碳化硅避雷器還是有價值的。 第二個原因就是許多國家實際上中壓電網的中性點為非有效接地。為了減小短路電流，變壓器的中性點通過一個線性電阻接地，或通過限流電抗器接地（如消弧線圈）。因此，既使出現單相接地故障，電網也將運行一段時間而不會拉閘。雙重接地故障和長距離小電流接地故障引起的相電壓不平衡是可以接受的，這時健全相不會有故障電流流過，但其電壓實際已上升至線電壓。因此避雷器必須標線電壓，金屬氧化物避雷器也是如此。在中性點有效接地系統中，金屬氧化物避雷器在保護水平上沒有明顯優勢。 第三個原因則是金屬氧化物避雷器的價格稍為貴些。但是，隨著運行人員價值觀念的改變，那種認為“便宜的避雷器”不可靠日益風行，并且金屬氧化物避雷器價格已不再重要。而這種長壽命，高可靠性的新型避雷器會帶來更快的回報。 前面所述保留傳統避雷器的二種觀點，即較大的保護裕度和較低的接地故障電流，已愈來愈不重要了。因為客觀的經濟評價顯示出有必要重新認識其內在的技術特性。 由于絕緣的老化的特性，尤其對于變壓器和電纜，以及戶外絕緣的污染，導致了提高中壓電網絕緣強度的必然性。而我們恰恰希望一種更低殘壓的避雷器和一個更低的電網絕緣強度要求，這會使其絕緣及其它電氣元件延長使用壽命，減少污閃。盡管這種效益很難從理論和文獻上準確地預測，但近年來的供電實踐強有力地證明了這個希望是能實現的。 2． 碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器 碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器主要有兩方面不同：保護水平和能量吸收能力。保護水平用避雷器兩端出現的最高電壓來定義，對于碳化硅避雷器就是其放電電壓，即此時火花放電。我們也可稱其為殘壓，即此時的電壓降是由流過的放電電流所產生的。電流越大，電壓越高，能量越大。此時，串聯的Sic閥片會呈現高阻抗，當工頻電壓下次過零時，放電間隙就能切斷續流。圖2簡單地表示了這種放電現象。尺寸設計優良的碳化硅避雷器的殘壓和放電電壓差不多相等，因兩者都與沖擊波形有關，所以碳化硅避雷器保護水平可用圖3表示。圖中由制造廠確定的“a,b,c”三點表示了最大的過電壓倍數，而由“d”點表示的是50Hz的放電電壓最小值。實踐表明，由于制造有誤差，將會存在散射區，尤其是碳化硅避雷器。 操作電壓很難引起火花放電，也是這類避雷器的優點。但此電壓雖然不高，可是有數毫秒之長，這時放電間隙的電侵蝕會使避雷器放電電壓的準確性變壞。無間隙避雷器不表示放電電壓。和碳化硅避雷器相比，殘壓的上升是相當平緩的。保護水平（殘壓）的隨電流而變化的。 如果想比較碳化硅避雷器和金屬氧化物避雷器的殘壓，那么必須在同一電流的基礎上比較。當WG24型避雷器和MWB型金屬氧化物避雷器同時流過10kA沖擊電流時，金屬氧化物避雷器殘壓的明顯改進是其最為陡峭的過電壓波形，30μs后才是所謂操作過電壓下的殘壓波形。而這種陡波僅在雷電沖擊時出現。然而，這是很危險的，因為配電變壓器對陡波很敏感。而且避雷器和變壓器的距離也很重要，即所謂的“分離效果”。 電網中的操作過電壓是一種典型的非常危險的電壓振蕩，如在截流時，最高可至三至五倍的相電壓，有時甚至更高，振蕩頻率由電網參數決定。在數千赫茲范圍內。當幾百安培的電流通過時，金屬氧化物避雷器會限制振幅在較低操作電壓保護水平內，如圖6所示。電網中的感性貯存能量也會通過避雷器流入大地。另一種危險的過電壓形式是，在操作大容量電容器組，電纜網絡，補償性電池組等產生的，這種現象應予注意。在操作電容器組時，有缺陷的操作裝置，負荷開關，或者高壓熔斷器都可能引起重擊穿或電弧重燃。當電容器出現過電壓時，是通過避雷器卸流的。因此，這就要求該避雷器必須在操作過電壓下有較低的殘壓并伴有大吸收能量。這就是以往只有使用火花間隙避雷器，并且是唯一的代價高昂的解決辦法。而金屬氧化物避雷器能量吸收力要比同規格的碳化硅避雷器高三到五倍。 因為金屬氧化物避雷器有較低的殘壓，所以會比碳化硅避雷器釋放過電壓次數更多些。同時性能也不會變壞。事實上，碳化硅避雷器不能抵御長時間的操作過電壓對火花間隙的侵蝕。只要金屬氧化物避雷器不過載，那么它的性能是穩定的。調查表明：數千次過電壓后，金屬氧化物避雷器的特性沒有任何變化。 金屬氧化物避雷器也能在交流電壓下短時過載，暫時工頻過電壓（TOV）產生的放電電流不會損壞避雷器，這就是金屬氧化物避雷器的短時過載能力。 3． 金屬氧化物避雷器的設計 新型避雷器的設計是很簡單的。主要部件是圓柱形的金屬氧化物電阻。ABB公司還設計了棒式，即所謂“單塊體”等不同規格的品種。圓柱直徑由避雷器能量吸收能力及額定放電電流決定。10kA，47mm的圓形閥片是最為常用的。當然，對于5kA放電電流，也可以使用更小的閥片，圓柱高度決定了持續運行電壓，一般每千伏要求10mm高度。電阻塊的圓柱形側面有玻璃狀的鈍化層，用火焰將鋁噴燒在上、下端的導電面，把電阻塊一個一個地疊起來就可以滿足更高電壓的要求了。 金屬氧化物電阻由堅硬的螺簧固定，螺簧同時還提供了電阻與端子的緊密接觸壓力。上下兩端巨型帽狀物是鑄鋁的，是避雷器的壓力釋放裝置。 4． 特殊類型 任何避雷器都有可能過載。原因即有強雷電波沖擊，又可能是2次以上的多次復合沖擊，還有可能是系統閃絡，此時是兩個不同的電壓等級發生了短路。 一種或另一種形式造成的一次過載就會使金屬氧化物電阻閥片上穿孔，并在閥片柱和殼體之間產生電弧。電弧使氣體壓力迅速上升。為防止過壓爆炸，避雷器的兩端的壓力釋放閥幾乎是同時打開，并使熱浪溢出。當電弧氣流溢出后將在避雷器外部產生閃絡，從而釋放了內部壓力，這幾乎不會有任何危險或者危險很輕微。而電弧在閥片上的熔化軌跡會使避雷器熄弧后更易被發現。MWB避雷器的釋壓件可根據要求，用標有顏色的小片來關閉。它很容易被靈活的釋壓裝置打開，這使得那種有缺陷的避雷器更易被查覺。極少情況下短路電弧會接觸避雷器殼體的內壁或外壁，熱沖擊會使瓷外套斷裂，并導致壓力釋放時避雷器碎落。但是，檢測說明書明確規定：只要避雷器瓷套的碎片掉在規定半徑范圍以內，那么是允許的。當然，這不是我們所希望的。 電網中許多地方還是要求避雷器高度安全的。于是產生了MWK系列避雷器。這種類型的避雷器和MWB型具有同樣的電氣參數，但殼體是用硅聚合物制成。這種既輕又具有彈性的殼體不會因主元件的損壞而斷裂。相反，當殼體微孔被擊穿后，會立即導致外部開始閃絡，殼壁會逐漸碳化。這使已受損的避雷器易于辯別。 MWK避雷器的特殊耐短路能力在小電流或大電流檢測中都有試驗記錄。所有試驗都表明殼體絲毫沒有碎落。因此，我們可以這樣假設：一支過載的、或有缺陷的MWK型避雷器在配電網中表示一次永久性短路。如有重合閘，同一地方會立即重新短路，電弧也會重燃。這將會更容易發現故障點及故障點的避雷器。 MWK系列避雷器的耐污性能相當先進。雖然無間隙配電（瓷套）金屬氧化物避雷器比舊型號的避雷器耐污能力強，但是硅橡膠外套的避雷器耐污能力更強，即便在鹽霧場所也能使用，尤其適應于沿海地區和工業污染嚴重的地區。實踐證明，MWK系列避雷器是先進的。 MWF避雷器是另一種特殊系列產品，通常用在開閉所室內，保護長度超過10米的電纜的套管。MWF型還更多應用于室內開閉所的相與相之間，一般它們之間距離都很近。 5． 在中壓電網中的應用 避雷器技術的發展有效地提高了中壓電網運行可靠性。具有更先進性能的避雷器將會問世。那么我們采用殘壓較低的避雷器，就可以降低絕緣強度了，也可期望延長電纜和變壓器的壽命。可見避雷器保護配合的好，還會帶來較大的經濟效益。而產品的品種多允許在技術與費用的矛盾中作出最佳選擇。 “輕”型避雷器額定放電電流5kA，能量吸收能力較小。與以前裝在中壓電網中的碳化硅避雷器最類似。中等重型避雷器能吸收較多的能量，而且殘壓也比較低。最強型MWA避雷器代表目前的最高水平，能達到最高耐壓。 避雷器的能量吸收能力很重要。眾所周知，IEC（2）中收集的資料表明了中壓電網的耐壓強度是由雷擊決定的。全世界范圍的文獻記載了50％的雷電流大約37kA，而每回第二次來雷時，都至少包括兩次閃擊。盡管這樣的雷擊釋放能量不高，但避雷器必須快速動作記錄下來。由雷電產生的過電壓若遠離線路時通常都不足以使傳統的碳化硅避雷器放電4 ，但在某個反射點上，會出現閃絡。但用金屬氧化物避雷器不可能出現這種情況。即使產生電壓處于最低值，也會反復出現反射，因此避雷器不得不吸收更多的能量。 隨著中壓電網中電纜線路增多，中等重型避雷器日益重要。早期刊物5曾講過，在電纜末端的套管上或架空線引入處安裝避雷器保護是必要的。因雷電和操作過電壓在電纜網中存貯了較多的能量，因此建議使用中等重型避雷器保護。 一只避雷器的保護水平是更重要的評價指標。無間隙避雷器的殘壓是由金屬氧化物電阻的直徑和高度來決定的（取決于操作電壓）。閥片采用的截而越大，吸收能量的能力越高，并可獲得較低的殘壓。由于新型金屬氧化物避雷器的殘壓很低，沒有必要把U C限到最小值以適應全電網，而現在能使不同避雷器有不同的負載。 前面已經講到，新型金屬氧化物避雷器的基本元件是非線性電阻。在工頻過電壓下，如出現系統閃絡或諧振過電壓，所有并聯的避雷器都同樣承受過壓或過載。但是人可以對此進行配置和設計，不讓所有避雷器均在故障時出問題，而只讓特殊的或預先設定的一個承擔。例如，假設開閉所室內安裝的避雷器Uc高于室外線路上避雷器約10％，那么工頻過載時，僅會損壞室外避雷器，并產生短路。這時唯有電弧電壓在故障點出現。它當然低于電網運行電壓，也會低于同相線路上其它未受沖擊避雷器兩端上的壓降。所以，即使工頻過壓時，也不會有危險。 6． 總結 關于中壓配電網的保護，可以作如下總結。根據安裝場所的地理位置，重要性及設備的價值來選擇避雷器的類型。室外露天安裝和在電網中那些特殊點要求選用吸收能力最高的最強型避雷器，特殊設計MWA系列避雷器即為此而用。MWB型中等重型避雷器適用于絕大多數配電電網中。這種先進的避雷器隨處可裝。如開關站架空進出線；戶外電纜套管；柱上變壓器或者架空線交接處等。與電網一部分并聯運行時，還可使用間隙或有間隙的避雷器，而不會出問題。MWK型產品適用于重污穢場所或者不允許避雷器殼體損壞的地方。MWF型產品體積小，適合室內安裝，特別是空間狹小的配電柜或組合式單元柜中使用。這時室外安裝的避雷器必須考慮與室內避雷器配合，以防止室內避雷器出現過負荷現象。